2016 VOL.26

Review��
ワイヤ＋アーク放電にもとづく
AMのワイヤ＋アーク放電にもとづくAMの�金型造形への適用可能性
金型造形への適用可能性��笹原 弘之*東京農工大学�
� 笹原�弘之

H. Sasahara
１．まえがき一つの形態として捉えることができる．このアイデア自体

� アディティブ・マニュファクチャリング（AM）の対象

は 1926 年の特許にまで遡ることができる 6)．アーク溶接が，試作から実製品へと急速に拡大しており，強度部材にによる手法は，主要な熱源装置がレーザや電子ビームによも適用できるような金属を用いた AM への期待が高まっるよりも単純かつ低廉であることが大きな特徴である．ま1)ている ．金属製の部材を AM により製造するプロセスは，た，エネルギー効率も高い．ロールスロイス社では TIG・大別して二つの手法がある．ひとつは，粉末床溶融結合

MIG 溶接を用いた Shaped Metal Deposition（SMD）に関す(Powder Bed Fusion)であり，もうひとつは指向性エネルギる研究を行っており 7)，航空機産業などで商業的に利用可ー堆積（Directed Energy Deposition）である．

能な技術とも言われている．MAG 溶接を用いた連続的な粉末床溶融結合では，レーザや電子ビームを熱源とし，溶融金属の積層後，切削加工を施す研究 8)も近年行われて平坦に敷き詰めた金属粉末を一層ずつ溶融・固着しながらいる．

積層していくものが主流である．通常，直径 15～45μm の� 著者の研究室ではこれまでに，溶接技術で用いられてい金属粉末を用い，一層の厚さは 20～150 μm 程度である．

るアーク放電により金属を溶融・固化させる技術に着目し，ステンレス鋼，工具鋼，コバルトクロム，チタン合金，ニ溶融金属を積層させることにより三次元造形を行う溶融ッケル基合金，アルミニウム合金などが使用できる．精細金属積層法について研究を進めてきた 9)~19)．本技術では，な造形が可能で，造形精度が比較的高い．造形能率は数十チタン合金，ステンレス，アルミニウムなどの高温・高圧cc/h 程度と高くないが，レーザーを複数搭載するなどして下でも耐久性・耐熱性に優れた多種の金属材料の使用が可高能率化も進められている． 欧米の各社が先行しており，能である点に大きな特徴がある．また良好な溶接部分の強GE 社などでも採用が進んでいる．

度はバルク材と同等以上であることが知られており，溶融

他方，指向性エネルギー堆積は，肉盛（cladding）プロ

金属積層法では汎用の金属材料を用いた高強度な造形物

セスがその原理であり，金属材料をワイヤもしくは粉末とを作製する AM が可能となる．溶融金属積層でニアネッして供給し，それをレーザ，電子ビームまたはアーク放電

トシェイプを造形後，表面に切削加工を施し所望の寸法をにより溶融し，金属のビードとして堆積することにより造得ることで無駄な切りくずの発生をなくし，短時間での製形を行う．RPM Innovations 社では，3kW/4kW のファイバ品製造が期待できる．

ーレーザーを用い，1500mm×1500mm×2100mm の大型造形

� そこで本研究では，溶融金属法における積層現象を解明2)を可能としている ．DMG MORI 株式会社やヤマザキマ

し，様々な形状の造形方法開発を目的とする．具体的には，

ザック株式会社からは金属粉末をレーザで溶融・堆積し，プレス金型を想定して，軽量で高強度なリブ入ったシェル続けてエンドミル加工での仕上げが可能な装置が発表さ

構造，中空で天井の閉じたドーム形状，冷却用水路の積層

3)4)

5)

．また，米国 Sciacky 社 は，ワイヤー金属を方法について検討した．また，本手法の適用先として，金電子ビームを熱源として溶融・積層するシステムを開発し型や機械部品の補修が考えられるが，付加造形後にビッカており，5.7m×1.2m×1.2m の大型部品の製造も可能である．

ース硬さ試験とシャルピー衝撃試験を行い､母材や熱影響レーザ溶融が大気中あるいは不活性雰囲気中で行われる部､積層部の機械的性質を調査した．

れているのに対し，電子ビーム方式の場合は高真空下で行われるため，雰囲気中の元素を巻き込むことなく造形が可能である．

���造形装置�

以上のような構成の AM 装置に対して，ワイヤ素材を� 本研究で作製した溶融金属積層装置を図 1 に示す．ス

アーク放電による溶接技術で溶融・固化・積層する技術のトロークが，X 軸・Y 軸 160mm，Z 軸 220mm の三軸制御研究も進められている．これは，指向性エネルギー堆積の造型機の Z 軸に溶接トーチを取り付け，XY テーブル上の* 東京農工大学大学院工学研究院先端機械システム部門

教授- 41 -�2016 VOL.26

ベ ー ス ブ ロ ッ ク に は 造 形 物 の 基 板 （ 150mm× 150

ら零れやすくなり，一層目よりビード幅が広がり，高さがmm×5mm）を固定した．トーチ先端でアーク放電により低くなる．一層目積層後の積層ピッチは 2.1 mm，二層以溶融させた金属を基板上に滴下，堆積しながら Z 軸を上降は 1.45 mm として，常に溶接トーチの先端と積層面との昇させることによって積層を行う．

距離を一定に保っている．

� 積層中，アーク放電により発生した熱の一部が造形物，

� しかしながら，図 3 の黒で示す部分のように，1 層積層基板，直動転がり案内等に蓄積するため，冷却装置を作製する間に 2 回積層される部分がある．本報告では，この部した．まず，ベースブロック内に複数の冷却管を通し水を分をオーバーラップ部分と定義する．このオーバーラップ循環させた．次に，XY テーブル上にタンクを取り付けた．

部分はオーバーラップしない部分より積層高さが高くな

積層中，積層点の高さに応じてタンク内の水位を制御させ，ることが容易に想像できる．

造形物を水で直接冷却を行った．冷却により熱を拡散させることで，装置の温度上昇を低減するだけでなく，造形精度の低下も抑制された．

� 3.2 オーバーラップ部分での送り速度制御

図 2 トーチパス� � � 図 3 オーバーラップ部分

� ����オーバーラップ部分での送り速度制御�
� オーバーラップ部分とオーバーラップしない部分の積層高さを一定にする手法として以下の手法が考えられる．
①電流を小さくし，溶融量を減らす．
②電圧を大きくし，ビード高さを低くする．
③トーチの送り速度を高くし，溶融量を減らす．

図 1� 実験装置と造形中の様子

� 本研究で作製した溶融金属積層装置では NC 制御装置と溶接機を同期させて，電流，電圧を徐変させることはで���リブを有するシェル構造の造形�

きないため，送り速度を高くする手法を用いて実験を行っ� 溶融金属積層法では，溶接トーチを目標形状の輪郭にた．

沿って動かすことによりシェル構造を迅速に造形するこ� 溶接において，電流，電圧およびワイヤ供給量を一定にとが可能である．本章では，軽量なシェル構造に強度を持保つと単位時間当たりの金属の溶融量はほぼ一定になる．

たせるためにリブを持つシェル構造の造形を行い，積層方つまり，溶接トーチの送り速度は単位長さあたりの金属の法について検討した．

溶融量を決める．オーバーラップ部分では，溶接トーチが� ����オーバーラップ部分の問題�

1 層積層する間に 2 回積層される．そこで，オーバーラッ� 直径 50 mm の円筒に，直径 25 mm の二つの円形のリブプ部での単位長さ辺りの溶融量を半分にし，オーバーラッが入る形状を造形した．図 2 に示すように，溶接トーチ軌プしない部分と単位長さ辺りの溶融量が等しくなるよう跡は黒点から反時計回りに直径 50 mm の円の 4 分の 1 をに，オーバーラップ部分での溶接トーチの送り速度を 2描き，直径 25 mm の 2 つ円を八の字を描くように作り，倍にした．

最後に直径 50 mm の円の 4 分の 3 を描く．本報告では，

� 図 4 に示すように，オーバーラップ部分での溶接トーチ溶接トーチが黒点からスタートして，再び黒点に戻ってくの送り速度を 2 倍にすることで，積層高さの上昇を抑制しる軌跡を 1 層と定義する．このように溶接トーチを一� 筆書きで移動させる理由は，溶接電源の ON，OFF を可能な4 層以上積層することができた．しかしながら，溶接トーチの送り速度が 300 mm/min から 600 mm/min に高くなる限り行わず連続的に積層したいからである．

部分，つまりオーバーラップ部分直前での積層高さがオー� 積層ピッチとは溶融金属を一層積層するごとに Z 軸方バーラップ部分の積層高さと比べて約 5 mm 低くなった．

向に溶接トーチを上昇させる量である．一層目は基板上に

これは，トーチの移動方向が常に同一方向で，速度変動が溶融金属を滴下するため，ビード断面形状は半円状になる．

常に同じ位置で周回ごとに繰り返されたためだと考えら

二層目以降は曲面であるビード上に積層するため，前層かれる．

- 42 -

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する手法を比較した．いずれも 1 層の間隔を 1.3mm とした．

方向に均等分割



造形物輪郭に沿って�
均等分割

図 4 送り速度変化により造形した造形物
図 6 造形物のスライスデータの作成方法
� ����トーチ移動方向の反転�� 溶接トーチの移動方向が常に同一方向の場合，二つの速� まず Z 軸方向に均等に分割する手法の場合，ドームの度変動が周回ごとに同じ位置で繰り返されることによっ

高さ 25 mm を 1.3 mm で割ると，19.2 となるため，製作して，積層高さに偏りが生じる．

たプログラムは 20 層積層予定であったが 18 層までしか積� そこで，積層開始位置を 2 箇所に分け，さらに溶接トー層されず，19 層目は 18 層目から外れ基板上に積層された．

チの移動方向を時計回りと反時計回りにし，4 通りの軌跡

積層開始直後はほぼ垂直に積層されるが，ドームの頂点にを繰り返して積層するプログラムをつくり，速度変動部で近くなるほど水平方向に積層する必要がある．実験で使用の積層高さの偏りをなくす実験を行った．実験条件は 3.2した溶接ワイヤの径は 1.2 mm であり，アークが前層のビ項の実験と同じ条件である．

ードに飛ばず，積層できなかった．

� 図 5 に示すように，速度変動部での積層高さの偏りを約� 一方，ドーム形状の輪郭に沿って積層方向に均等に分割1.5mm に抑制し 20 層積層することができた．オーバーラする手法の場合，図 7(a)に示すように，ドームの天井を閉ップ部分の積層高さも，オーバーラップしない部分の積層じることに成功し，図 7(b)に示すように，仕上げ加工を施高さとほとんど変化がない．

しても欠陥がないことがわかる．
ドーム形状のようにオーバーハングした形状は，スライスデータを輪郭にそって積層方向に均等に分割して作製することにより，ドーム形状に限らず複雑な自由曲面のオーバーハング形状を造形可能であると考えられるが，より高精度にオーバーハングした形状を造形するには，テーブル傾斜を用いて溶融池を常に水平に保つ手法や，フレキシブルトーチを用いて溶接トーチ自体を斜めに傾けるなどの手法を用いる必要が考えられる．

図 図
5 �トーチ移動速度を可変しトーチ移動方向を反転さトーチ移動速度を可変しトーチ移動方向を反転させた場合の造形物
せた場合の造形物

���ドーム形状の造形�
� 本章では，天井の閉じたドーム形状の造形を行い，積層方法について検討した．ドーム形状の半径は 25 mm である．
� ����スライス方法の影響�� ドーム形状を作製する際に，以下の 2 つの方法でスライスデータを作製し，その影響について調べた．図 6(a)示す

 造形後の形状



仕上げ加工後図 7 造形物輪郭に沿って均等分割した場合の造形物

ように，Z 軸方向に均等に分割する手法と，図 6(b)に示す

� ����リブを持つドーム形状�

ようにドーム形状の輪郭に沿って積層方向に均等に分割

� 第 3 章で示したオーバーラップ部分があるリブ構造と，- 43 -

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ドームのシェル構造を組み合わせて，リブを有するドーム形状の造形を行った．
� 図 8(a)示すように，ドームの内部にリブを保ちながら，天井を閉じ，ドーム形状を造形することができた．実際にドームを水平に切っても，図 8(b)に示すように内部にリブがあることがわかる．溶融金属積層法を用いれば，切削加工では不可能な中空で高強度なリブを持つ形状の作製が図1
� 造形した直線冷却管の断面図 10�
造形した直線冷却管の断面可能であることが明らかになった．

� ����� 字冷却管の作製�
� 5.1 項の応用として，1 層目のビード間隔を 14 mm にし
図 11 に示すような S 字型の冷却管を製作した．図 12 に示
すように，冷却管の断面は約 10 mm の径の穴が貫通しており，本手法を用いて複雑な経路をもつ冷却管を造形が可能となった．
造形後の形状



造形物断面

図 8 リブを持つドーム形状

����冷却管の造形�� 本章では，ドーム形状を造形する手法を拡張し，断面においてアーチを描くようにビードを傾斜させながら積層し冷却管の作製する手法を提案する．
� ����直線冷却管の造形�� 図 9 に造形する冷却管の断面の模式図を示す．ここでは基板上に，それぞれ 5 本，7 本，10 本，14 本の直線ビードを用いて管壁を造形する．1 層目の 2 本のビード間隔は

図14 字型の冷却管

図 11� S 字型の冷却管

5 mm，8 mm，9 mm，9 mm とし，内径を変化できることを示す．
� 造形した直線冷却管の断面を図 10 に示す．それぞれ最大で 1.5 mm，4.5 mm，5.5 mm，7.0 mm 程度の穴が貫通しており，造形に用いるビード数を変えるだけでも様々な径の冷却管を迅速に造形できることが明らかになった．

図図15
12 S字管の断面字管の断面

���溶融金属積層法による金型補修部の特性�� 本手法を用いることにより，金属部材に金属材料を必要量のみ局所的に付加することができる．これにより，金型や機械部品の補修部位に対して同等の金属材料を滴下・堆積させることで，金型や機械部品の補修が可能である．金属部材への付加造形後にビッカース硬さ試験とシャルピー衝撃試験を行い､母材や熱影響部､積層部の機械的性質を調査した．
図 13 に溶融金属積層法を用いた金属部材の補修工程を

図 9 造形管の断面示す。本手法を用いて金属部材の補修を行う際、摩耗・欠- 44 -2016 VOL.26

損部分を除去し、除去部を埋めるように積層し、切削や研試験を行い，製品に使える性能を有しているか検討する必

削加工により仕上げる．

要がある．

溶融金属積層法で補修を行う際に，溶接による熱の影響を受けて，溶接部近傍の母材に熱影響部が形成される．熱影響部は組織変化による機械的性質の変化が生じやすい．
そこで本手法を用いて図 14(a)に示す試験片の中央溝部に肉盛溶接後，表面に仕上げ加工を行い，図 14(b) に示す仕上げ加工面の溶接境界近傍の硬さ測定を行った．また，図14(c)に示す位置からシャルピー衝撃試験片を切り出し，母材や熱影響部，積層部の靱性を測定することで，補修後(a) 試験片寸法の金属部材の機械的性質を調査した．
実験では母材にダイカスト金型への補修を模擬するた
め合金工具鋼 SKD61 を用いた．実験条件は積層高さを5.5mm ， 溶 接 電 流 :120A ， 溶 接 電 圧 :21.8V ， 送 り 速度 :200mm/min ， ク ロ ス フ ィ ー ド 量 :4.8mm ， 溶 接 線 材
質:SKD61，シールドガス Ar80%-CO２20%(mol%)，ガス流量:10L/min の条件で造形を行った．ダイカスト金型の寿命低下要因として熱応力によって発生するヒートクラックが挙げられる．そのため，金型寿命にはヒートクラックの進展を防ぐ靱性が影響する．よって，硬さ分布から溶接入(b) 硬さ測定領域

熱による相変態の様子を推定する．相変態した金属は母材と異なる靱性を有すると考えられる．母材とする合金工具
鋼 SKD61 は 1030℃で焼入れ空冷後，550℃で高温焼戻し熱処理を 2 回行った．

欠陥(c)シャルピー衝撃試験片切り出し位置
補修前除去加工

積層仕上げ加工

図 14� 測定領域

図 13� 溶融金属積層法を用いた補修工程
700

試験片の硬さ測定結果を示す．溶接境界から 6mm 付近で硬度が低い領域が生じている．軟化が生じた原因としては，溶接入熱により相変態が生じたためだと考えられる．この領域では相変態により母材と異なる靱性を有しているこ

ビッカース硬さ HV600

試験片の硬さ分布の測定領域を図 14(b)に示す．図 15 に5000mm30mm

40060mm300200100とが考えられる．

0

そこで，軟化域を有する熱影響部や，母材，積層部の靱積層部
-6-3

熱影響部
036性を測定した．図 16 にシャルピー衝撃試験の結果を示す．

溶接境界からの距離 mm

熱影響部の靱性は，積層部や母材と同等以上であることが図 ��� 硬さ測定結果�

分かる．今後は，本手法で補修した試験片を用いて熱疲労�- 45 -

母材
912�

2016 VOL.262) http://www.rpm-innovations.com

吸収エネルギ Ｊ203）http://jp.dmgmori.com/products/lasertec/lasertec-additivemanufacturing154) https://www.mazak.jp/news-events/pressreleases/integrex-i-am-20141009/

105) http://www.sciaky.com/

6) P. Cosgrove, S. Williams, High deposition rate high quality
5

metal additive manufacture using wire + arc technology,07) D. Clark, et.al., Shaped metal deposition of a nickel alloywww.cranfield.ac.uk

溶接部

積層部

ＨＡＺ

熱影響部

for

母材

母材

aero

engineapplications,

JournalofMaterials

Processing Technology, 203, 1-3, (2008), pp.439-448.

�8) Y.-A.Song, et.al, 3D welding and milling, International

図 ��� シャルピー衝撃試験の測定結果�

Journal of Machine Tools and Manufacture, 45, 9, (2005),

�pp.1063-1069.

����おわりに�

9) 笹原弘之，松丸哲史，上岡利人，他2名，溶融金属積層による傾斜壁の造形，日本機械学会誌論文集(C 編)，75, 757 (2009)� 本稿では，ワイヤ材料をアーク放電により溶融・積層するアディティブ・マニュファクチャリングによる造形の特徴と金型補修へ適用した際の特性について述べた．
1)� 溶接トーチが 1 層積層する間に 2 回積層されるオーバ

2435-2439.

10) 笹原弘之，田中敬三，上岡利人，アーク放電を用いた溶融金属積層による3次元造形，型技術，25, 8 (2010)28-33.

11) R. Yoshimaru, H. Sasahara, et.al., Direct metal rapid

fabrication using arc welding, Proc. 3rd Int. Conf. ofーラップ部分がある形状の造形では，オーバーラップ部分の積層高さが高くなる．オーバーラップ部分での溶接トーチの送り速度を 2 倍にすることで積層高さの上昇

ASPEN, (2009) #1A1-7 （CD-ROM）

12) 田中敬三，阿部壮志，吉丸玲欧，笹原弘之，アーク放電を用いた溶融金属積層による造形物の強度，日本機械学会誌論文を抑制できる．�
2)� トーチの移動方向が常に同一方向の場合，速度変動が集（C 編），79,800 (2013) pp.1168-1178.

13) 田中敬三，笹原弘之，プレス金型におけるトリム刃型製造方法の研究－(NC マシンによる溶融金属積層と積層金属の開発，常に同じ位置で周回ごとに繰り返されるため，積層高さに偏りが生じる．1 層積層するごとに積層開始位置を変更し，さらに 1 層ごとに溶接トーチの移動方向を反転さ日本機械学会誌論文集（C 編），78, 790 (2012) 2340-2349.

14) T. Abe and H. Sasahara, Residual Stress and Deformation
after Finishing of a Shell Structure Fabricated by Direct

Metal Lamination Using Arc Discharge, Int. J. of

せ，二つの速度変動部の影響を分散させることで，オーAutomation Technology，6, 5 (2012) pp. 611-617．

バーラップ部分を含む形状の造形が可能になる．�
3)� ドームのようなオーバーハングした形状の造形では，

15) T.Kamioka, S.Ishikawa and H.Sasahara, Fabrication ofElbow Pipe by Direct Metal Lamination Using Arc

目標形状の輪郭に沿って一定間隔にスライスデータをDischarge while Maintaining the Molten Pool in a

Horizontal Position, Int. J. of Automation Technology, 4, 5製作することで造形可能である．�
4)� 溶融金属積層法では，造形に用いるビードの数を変えるだけで，さまざまな径，形状の冷却管の造形が可能で(2010) pp.422-431.

16) T. Abe and H. Sasahara, Study on Dissimilar Metal
Fabrication with Direct Metal Lamination by using Arcある．�

Discharge, Proc. 14th Int. Conf. EUSPEN, Vol.1 (2014)

pp.117-120.

��� 溶融金属積層法により補修した金属部材の硬度を測定した結果､熱影響部に軟化域が確認された．シャルピ

17) T. Abe and H. Sasahara, Development of the Shell

Structures Fabrication CAM System for Direct Metal

ー衝撃試験の結果、積層部と熱影響部は母材と同等以上

Lamination Using Arc Discharge -Lamination Heightの靱性を有していることが分かった｡�

Error Compensation by Torch Feed Speed Control-,International

JournalofPrecision

EngineeringManufacturing, 16, 1 (2015-01) pp. 171-176．

謝� 辞�
本研究の一部は，公益財団法人天田財団からの一般研究and18) H. Takagi, T. Abe, P. Cui and H. Sasahara, Mechanical

Properties Evaluation of Metal Components Repaired by

開発助成により実施した研究に基づいていることを付記

Direct Metal Lamination, Key Engineering Materials Vols

するとともに，同財団に感謝いたします．

656-657 (2015) pp 440-445.

19) T. Abe and H. Sasahara, Dissimilar metal deposition with

参考文献

stainless steel and nickel based alloy by wire and arc based

1) J.-P. Kruth, M.C. Leu, T. Nakagawa, Progress in Additive

additive manufacturing, Precision Engineering, 45 (2016)

Manufacturing and Rapid Prototyping, CIRP Annals –Manufacturing Technology, 47, 2, (1998), 525-54.

pp. 387-395.

�- 46 -